JPH01276684A - 狭帯域発振エキシマレーザの波長異常検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は縮小投影露光装置の光源として用いる狭帯ＩＪ
ｉｔ発振エキシマレーザの波長異常検出装置に関する。

〔従来の技術〕

半導体装置！！！造用の縮小投影露光装置の光源として
エキシマレーザの利用が注目されている。これはエキシ
マレーザの波長が短い（例えばＫｒＦレーザの波長は約
２４８．４　ｎｌ１）ことから光露光の限界を０．５μ
ｍ以下に延ばせる可能性があること、同じ解像度なら従
来用いていた水銀ランプのｑ線やｉ線に比較してし焦点
深度が深いこと、レンズの開口数（ＮＡ）が小さくてす
み、露光領域を大きくできること、大きなパワーが得ら
れること等、　　の多くの優れた利点が期待できるから
である。

しかしながら、エキシマレーザを縮小投影露光装置の光
源として用いるにあたって解決しなければならない２つ
の大きな問題がある。

その１つは、エキシマレーザの波長が上述のように２４
８．４　ｎ１１と短いため、この波長を透過する材料が
石英、ＣａＦ２およびＭＣｌＦ２等しかなく、更に均一
性および加工精度等の点でこれらの材料の中で実用上レ
ンズ素材として石英しか用いることができないことであ
る。このため色収差補正をした縮小投影レンズの設計は
極めて困難であり、したがって、この色収差が無視しつ
る程度まで、エキシマレーザの出力波長の狭帯域化が必
要となる。

もう１つの問題はエキシマレーザの狭帯域化に伴い発生
するスペックル・パターンをいかにして防ぎ、また狭帯
域化に伴うパワーの低減をいかにしておさえるかという
ことである。

エキシマレーザの狭帯域化の技術としてはインジＩンク
ションロック方式と呼ばれるものがある。

このインジエンクションロック方式は、オシレータ段の
キャビティ内に波長選択素子（エタロン・回折格子・プ
リズム等）を配置し、ピンホールによって空間モードを
制限して単一モード発振させ、このレーザ光を増幅段に
よって注入同期する。このため、その出力光はコヒーレ
ンス性が高く、これをそのまま縮小露光装置の光源に用
いた場合はスペックル・パターンが発生する。一般にス
ペックル・パターンの発生はレーザ光に含まれる空間横
モードの数に依存すると考えられている。すなわち、レ
ーザ光に含まれる空間横モードの数が少ないとスペック
ル・パターンが発生し易くなり、逆に空間モードの数が
多くなるとスペックル・パターンは発生しにくくなるこ
とが知られている。

上述したインジェクションロック方式は本質的には空間
横モードの数を著しく減らすことによって狭帯域化を行
う技術であり、スペックル・パターンの発生が大ぎな問
題となるため縮小投影露光装置には適していない。。

エキシマレーザの狭帯域化の技術として他に有望なもの
は波長選択素子であるエタロンを用いたものがある。こ
のエタロンを用いた従来技術としてはＡＴ＆Ｔベル研究
所によりエキシマレーザのフロントミラーとレーザチャ
ンバとの間にエタロンを配置し、エキシマレーザの狭帯
域化を図ろうとする技術が提案されている。しかし、こ
の方式ではスペクトル線幅を十分にあまり狭くできず、
かつ、エタロン挿入によるパワーロスが大きいという問
題があり、更に空間横モードの数もあまり多くすること
ができないという欠点がある。

そこで、発明者等はエキシマレーザのりアミラーとレー
ザチャンバの間に有効径の大きな（数１０闇φ程度）エ
タロンを配置する構成を採用し、この構成により、２０
×１０ｒＲＩｎ２の範囲でスペクトル幅が半値全幅で約
０．００３ｎｌｌｌ以下の−様な狭帯域化を施しパルス
当たり約５０ｍＪの出力のレーザ光を得ている。すなわ
ち、エキシマレーデのりアミラーとレーザチャンバとの
間にエタロンを配置する構成を採用することにより、レ
ーザの狭帯域化、空間横モード数の確保、エタロンの挿
入によるパワーロスの減少という縮小投影露光装置の光
源として要求される必須の問題を解決することができる
。

しかし、エキシマレーザのりアミラーとレーザチャンバ
との間にエタロンを配置する構成は、狭帯域化、空間横
モード数の確保、パワーロスの減少という点で優れた利
点を有するが、エタロンを透過するパワーが非常に大き
くなるためエタロンに温度変動等の物理的変化が生じ、
このため発振出力レーザ光の中心波長が変動したり、パ
ワーが著しく低下するという問題があった。この傾向は
、特に、狭帯域化のためにフリースベクトラルレンジの
異なるエタロンを２枚以上用いた場合に顕著となった。

〔発明が解決しようとする課ＦＡ） ところで、この光共振中にエタロンを配設する構成をと
ると、このエタロンは、非常にエネルギー密度が高い光
が透過するため、長時間のうちに、エタロンの面精度、
平行度が悪化したり、反射膜の損傷等によって、フィネ
スが低下することがあった。

エタロンのフィネスが低下すると側帯波が大きく発生し
、マルチ波長発振となりこのレーザ光を縮小投影露光用
光源として用いると大きく解像力が低下するという問題
が生じる。

本発明は、前記実情に鑑みてなされたもので、発振レー
ザ光のスペクトルの波長異常を容易に信頼性よく検出す
ることのできる波長異常検出装置を提供することを目的
とする。

（課題を解決するための手段） そこで、本発明では、狭帯域発振エキシマレーザにおい
て、レーザの出力パワーと、中心波長パワーとを検出し
、これらの比が許容範囲内にあるか否かを判断すること
により、スペクトル波長の異常検出をおこなうようにし
ている。

〔作用］ 上記構成により、回折格子型分光器またはモニタエタロ
ンにより、中心波長と側帯波を分離し、中心波長のパワ
ーとレーザの出力パワーを検出し、その比が許容範囲内
にあるか否かを監視しているため、容易に信頼性よくス
ペクトル波長の異常検出を行うことが可能となる。

ここでその比が許容範囲を外れている場合は波長異常と
して異常信号が発生される。

〔実施例］ 第１図は、この発明の一実施例をブロック図で示したも
のである。この実施例ではレーザチャンバ１０７とりア
ミラー１０６との間に２枚のエタロン１０１．１０２を
配設づることによっで構成される。

この実施例の装置はレーザ出力パワーをレーザチャンバ
１０７内のレーザｖＸ’ｆｌガスの成分制ｗＪ８３よび
レーザ媒質の励起強度制御Ｉ（放電電圧制御Ｏ）によっ
てコントロールするパワー制御系２００と、レーザ出力
中心波長を制御する中心波長制御およびエタロン１０１
ど１０２との通過中心波長の川ね合せを行なう重ね合せ
制御を同時にもしくは交互に実行する波長制御系３００
とを有している。

まず、定常状態におけるパワー制御系２００と波長制御
系３００の動作について説明する。１キシマレーザに用
いるレーザ媒質ガスは時間経過と共にそのレーザ媒質と
しての性質が徐々に劣化し、レーザパワーが低下する。

そこでレーザ媒質の励起強度すなわち放電電圧を制御す
るとともに励起強度制御系２００ではレーザ媒質の成分
制御、すなわちガス交換を行うことによってレーザ出力
を一定に保つ出力制御がおこなわれている。すなわち第
１図に示すように発振されたレーザ光の一部をビームス
プリッタ１０４で分岐させパワーモニタ２０２に入射し
、レーザパワーの変化をモニタし、ＣＰＵ２０３がレー
ザ電源２０４を介して、レーザ媒質の励起強度を変化さ
せたり、あるいはガスコントローラ２０５を介してレー
ザ媒質ガスの部分的交換を実施するなどして、レーザ出
力を一定に保つように出力制御をおこなう。

また、発振されたレーザ光の一部はビームスプリッタ１
０３でサンプル光として分岐され、発振中心波長及び中
心波長パワー検知器３０１に加えられる。発振中心波長
及び中心波長パワー検知器３０１はサンプル光に含まれ
るエキシマレーザ１０の発振中心波長λと中心波長のパ
ワーＰλを検出する。この発振中心波長及び中心波長パ
ワー検知器３０１は回折格子型分光器と光位置センサと
から構成されており、その詳細は第２図に示される。

第２図において発振中心波長及び中心波長パワー検知器
３０１は凹面鏡３１．３２Ｊ３よび回折格子３３からな
る回折格子型分光器３４と光位置センサ３５を備えて構
成される。ビームスプリッタ１０３でサンプリングされ
たサンプル光はレンズ３６で集光され、分光器３７１の
入射スリット３７から入力される。この入射スリット３
７から入力された光は凹面鏡３１で反射され、平行光と
なり回折格子３３に照射される。回折格子３３はここで
は所定の角度に固定されており、入射した光の波長に対
応した回折角度で反射する。この回折光を四面ｍ３２に
導き、凹面鏡３２の反射光は光位置レンザ３５に導かれ
て結像される。ずなわち、入射光の波長に対応づ゛る入
射スリット３７の回折像が光位置センサ３５の受光面上
に結ゆされ、この入射スリット３７の回折像の位置から
サンプル光の中心波長λを検出することができる。また
この入射スリット３７の回折像の光強度から中心波長パ
ワーＰλを検出することができる。

なお、光位置センサ３５としてはフ第１・ダイオードア
レイまたは光点位置検出器ＰＳＤ　（ポジシコン　セン
シイティブ　ディテクタ）等を用いることができる。こ
こで、光位置センサ３５としてフォトダイオードアレイ
を用いた場合、中心波長は最大光強度の受光チャンネル
の位置により検出し、中心波長パワーは中心波長に対応
するチャンネルの光強度または中心波長付近のチャンネ
ルの光強度の和から検°出する。また光位置センサ３５
としてＰＳＤを用いた場合は、ＰＳＤの出力比から中心
波長を検出し、出力から中心波長パワーを検出する。

発振中心波長及び中心波長パワー検知器３０１で検出さ
れたサンプル光の中心波長λおよび中心波長パワーＰλ
は波長コントローラを構成する中央処Ｉ！Ｉ！装置（Ｃ
ＰＵ）３ｏ２に入力される。

ＣＰＵ３０２はドライバ３０３，３０４を介してエタロ
ン１０１．１０２の波長選択特性（透過中心波長および
選択中心波長）を制御し、サンプル光、すなわちエキシ
マレーザの出力光の中心波長が予め設定された所望の波
長に一致しく中心波長制御）、かつ中心波長パワーが最
大となるようにする（重ね合せ制御）。ここでドライバ
３０３゜３０４によるエタロン１０１，１０２の波長選
択特性の制御はエタロン４の湿度の制御、角度の制御、
エアギャップ内の圧力の制御、ギャップ間隔の制御！Ｉ
等によって行なう。

中心波長制御は、具体的にはエタロン１０１゜１０２の
うち少なくともフリースペクトラルレンジの小さい方の
エタロン例えばエタロン１０１の角度等を制御して該エ
タロンの透過波長をシフトさせ、これにより出力中心波
長すなわち発振中心波長及び中心波長パワー検知器３０
１で所望の波長となるように制御する。また重ね合せ制
御は、上述したフリースベクトラルレンジの小さい方の
エタロン１０１以外のエタロン、すなわち、フリースペ
クトラルレンジの大きい方のエタロン１０２の透過中心
波長を所定単位波長づつシフトし、エタロン１０１，１
０２の透過中心波長が重なり、発振中心波長及び中心波
長パワー検知器３０１で検出された中心波長パワーが最
大となるように制御する。

ところで、発振中心波長及び中心波長パワー検知器３０
１の光位置センサ３５の受光面の大きさは第３図に示す
ように中心波長のみを検出するように（サイドピークが
生じた場合でもこれを検出しない大きさに）設定されて
いる。これはサイドピークを検出しないようにするため
である。すなわち、エタロン１０１と１０２の重ね合せ
が不良の状態においてはサイドピークが生じ、光位置セ
ンサ３５がこのサイドピークを検出してしまうと重ね合
せ制御ができなくなるとともに正確な中心波長制御も不
可能になる。そこで、サイドピークが生じてもこのナイ
ドピークを検出しないように光位置センサ３５の受光面
の大きさが制限され°Ｃいるのである。一般にエタロン
１０１と１０２の重ね合せが不良の場合にはサイドピー
クが生じるが、エタロン１０１と１０２の重ね合せが完
全になるとほとんどサイドピークは生じないようにエタ
ロン１０１と１０２は段重されている。

しかし、エタロン１０１．１０２の面蹟度、平行度が悪
化したり、反１１膜の損傷等が生じてエタロン１０１，
１０２のフィネスが低下すると、重ね合せが完全になっ
てもサイドピークが生じることがある。次にこの現象に
ついて説明する。

まず、フリースベクトラルレンジの小さいエタロン１０
１と７リースペクｊ・ラルレンジの大きいエタロン１０
２とが正常であるとする。この場合、エタロン１０１と
１０２の重ね合せが完全となると、第４図［ａ）に示す
ようにほとんどサイドピークが生じない。しかし、面粘
度の劣化笠によりフリースペクトラルレンジの大きいエ
タロン１０２のフィネスが低下すると、エタロン１０２
による透過波長は幅広となり、このため第４図（ｂ）に
示すように複数のサイドピークが生じ、マルチ波長発振
となる。また、エタロン１０１のフィネスが低下した場
合も同様である。

このようにレーザがマルチ波長発振となると、このレー
ザ光を縮小投影露光用光源に用いても解像力が大幅に低
下することになる。

そこで、パワーモニタ２０２の出力から得られるレーザ
出力パワーと、光位置センサ３５の出力から得られる中
心波長パワーとの比をＣＰＵ２０３によって算出し、こ
の値が予め決められた許容範囲内にあるか否かを常に監
視するようにし、許容範囲を外れた場合に波長異常信号
を出力するように構成されている。このようにして側帯
波を間接的に検出することにより、容易に、このマルチ
波長発振のサイドピークを検知することができ、この解
像ノ〕の低下を検知することが可能となる。

このように、この実施例では、発振中心波長および中心
波長パワー検知器３０１の出力と、パワーモニタ２０２
の出力とから、レーザ出力パワーと中心波長パワーとの
比を師出し、この比を監視することにより、サイドピー
クが生じているか否かを検出するようにしている。

そして、ここでサイドピークが検出されると、ＣＰＵ２
０３は波長異常信号を発生する。この波長異常信号は図
示しない露光装置に送出される。

次にこの波長異常検出の動作をフローチャートを用いて
説明する。

第５図はこの実施例の装置のメインフローを示したもの
である。この動作は、まず、経過時間Ｔが予め設定した
所定の時間αを経過しているか否かを判断しくステップ
４０１）、経過していない場合は、ステップ４０２に移
行し、通常の制御、すなわち、パワー制御、重ね合せ制
御、中心波長制御を実行する。この通常の制御は経過時
間Ｔが所定の時間αに達するまで繰返される。経過時間
Ｔが所定の時間αに達すると、これがステップ４０１で
判断され、側帯波検出サブルーチン４０３に移行する。

この側帯波検出サブルーチン４０３は第６図に示される
。

側帯波検出サブルーチン４０３においては、まず中心波
長パワー検知器３０１の出力と、パワーモニタ２０２の
出力とから、それぞれレーザ出力パワーＰｔと中心波長
パワーＰλとをＣＰＵ２０３に読み込む（ステップ５０
１）。

次いで、ＣＰＵ２０３においてレーデ出力パワーｐｔと
中心波長パワーＰλの比Ｐ＝Ｐλ／Ｐｔを算出する（ス
テップ５０２）。

そして、この比Ｐが予め決められた値によりも大きいか
否かを判断しくステップ５０３）、大きい場合すなわち
中心波長パワーＰλがレーザ出力パワーＰｔに対して十
分に大きい場合は、異常なしとしてこのサブルーチンを
終了する。このようにして側帯波検出サブルーチン４０
３が終了すると、時間Ｔを０にリセットして、再びステ
ップ４０１に戻る。

一方、前記判断ステップ５０３において、この比Ｐが予
め決められた値ｋ・よりも小さい場合すなわち中心波長
パワーＰλがレーザ出力パワーＰｔに対して十分に大き
くない場合は、シャッタを閉じ（ステップ５０４　）　
、波長異常信号を出力する（ステップ５０５）。

このあと、また同様にして判断ステップ４０１（第５図
）に戻る。

このように定期的に側帯波検出サブルーチン４０３に移
行して側帯波の監視を行なうもので、エタロンのフィネ
スの低下によるマルチ波長発振を確実に検出することが
でき、これによりマルチ波長発振にもとづく不都合を事
前に防止することができる。

なお、上記実施例では２枚のエタロンを用いた場合につ
いて説明したが３枚以上のエタロンを用いても同様に構
成することができる。

また、上記実施例では中心波長パワーの検出に回折格子
型分光器を用いた場合について説明したが、第６図に示
すように、光ファイバ４１を介して導出されるサンプル
レーザ光をモニタエタロン４２を通して中心波長による
干渉光と側帯波による干渉光に分けて、光センサ４３に
導き、検出するようにしてもよい。ここで、モニタエタ
ロンについては、側帯波と中心波長との差Δλｓ　ｉｄ
ｅとモニタエタロンのフリースベリトラルレンジＦＳＲ
Ｉｌｏｎｉｔｏｒとが Δλ５ｉｄｅ′ｆ：Ｆ　Ｓ　Ｒｌ１ｏｎｉｔｏｒ（ｎ＝
１．２．・・・・・・） となるようにすることによって、中心波長による干渉光
と側帯波による干渉光とを分離することが可能である。

〔発明の効果〕

以上説明したように、この発明によれば、レーザの出力
パワーと、中心波長パワーとを検出し、これらの比が許
容範囲内にあるか否かを判断することにより、スベク１
−ル波長の異常検出をおこなうようにしているため、極
めて簡単な構成によってマルチ波長発振を確実に検出す
ることができ、これによって縮小投影露光用光源として
用いた場合の予期しない解像力の低下を防止するこがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示すブロック図、第２図
は発振中心波長および中心波長パワー検知器の詳細を示
ず図、第３図は第２図に示した発振中心波長及び中心波
長パワー検知器の検知状態を示す図、第４図はこの実施
例におけるサイドビークの発生の状態を示す図、第５図
、第６図はこの実施例の動作を説明するフローチャート
、第７図は中心波長パワー検知器の他の例を示す図であ
る。 １０１．１０２・・・エタロン、１０３・・・ビームス
プリッタ、２００・・・パワー制御系、２０３・・・Ｃ
ＰＵ、２０４・・・レーザ電源、２０５・・・ガスコン
トローラ、３ｏｏ・・・波長制御系、３０２・・・ＣＰ
Ｕ、３０３．３０４・・・ドライバ、３１．３２・・・
凹面鏡、３３・・・回折格子、３４・・・回折格子型分
光器、３５・・・光位置セン号、３６・・・レンズ、３
７・・・入射スリット、４１・・・光ファイバ、４２・
・・モニタエタロン、４３・・・光センサ。 ２００パワー匍Ｉイ卸＾ −Ｌ　　　　　　　　　　ｍ 第１図 第３図 １室 波長（ａ） マｊし干反灸仝よ シ叉長　（／Ｖ） 第４図（ｂ） 第５図 ノル１Ｆ−漫才会出すフ゛；Ｌ−ラン 第６図 ４１光フアイバ゛ 八 〒 ４３を乞ンす 第７図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 レーザ発振器の共振器内に少なくとも２個のエタロンを
   配置し、前記エタロンの波長選択特性を制御するように
   構成された狭帯域発振エキシマレーザにおいて、 出力レーザ光の出力パワーを検出する出力パワー検出手
   段と、 中心波長パワーを検出する中心波長パワー検出手段と、 前記出力パワー検出手段によって検出された出力パワー
   と前記中心波長パワー検出手段によって検出された中心
   波長パワーとの比が予め設定された許容範囲内にあるか
   否かを監視することにより、レーザ光のスペクトル異常
   を検出する異常検出手段と を具えた狭帯域発振エキシマレーザの波長異常検出装置
   。